高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)【摘要】隨著高層建筑的逐漸普及，高層建筑遇到的問(wèn)題也越來(lái)越多，其中最突出的就是風(fēng)的影響，為了減少風(fēng)的影響，本文從高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、風(fēng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用及結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，以及高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化這四個(gè)方面對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。【關(guān)鍵詞】高層建筑；建筑結(jié)構(gòu)；抗風(fēng)；設(shè)計(jì)一、前言地球大氣層不斷的流動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生風(fēng)流，在靠近地面處風(fēng)流速度比較小，在高處風(fēng)流速度將會(huì)激增，隨著高層建筑的普及，風(fēng)對(duì)于高層建筑的安全影響越來(lái)越大，因此，我們需要對(duì)高層建筑進(jìn)行防風(fēng)設(shè)計(jì)，提高建筑安全性。二、高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)1.空間整體作用實(shí)際的房屋建筑都是空間結(jié)構(gòu)，是空間受力的，簡(jiǎn)化為平面框架計(jì)算只適用于最簡(jiǎn)單的情況。因此，次梁的端彎矩、梁的扭矩在設(shè)計(jì)中都應(yīng)考慮，柱和墻的軸力不能簡(jiǎn)單地按荷載面積計(jì)算。2.水平力起控制作用高層建筑由于地震和風(fēng)產(chǎn)生的內(nèi)力往往大于豎向荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，因此組合內(nèi)力分布不同于低層建筑。如梁的端彎矩可能大于跨中彎矩等等。3.柱、墻的軸向變形影響由于層數(shù)多、高度大，墻、柱軸向變形逐漸積累，對(duì)內(nèi)力產(chǎn)生明顯影響，設(shè)計(jì)人員必須決定是否考慮施工過(guò)程模擬的問(wèn)題。三、風(fēng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用及結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)對(duì)于風(fēng)場(chǎng)中的建筑物，風(fēng)對(duì)建筑物的作用力總體上可分為：在建筑物的迎風(fēng)面產(chǎn)生壓力(氣體流動(dòng)產(chǎn)生的阻力)，包括靜壓力和動(dòng)壓力；在橫風(fēng)向產(chǎn)生橫風(fēng)向干擾力(氣體流動(dòng)產(chǎn)生的升力)；空氣流經(jīng)建筑物后產(chǎn)生的渦流干擾力(包括背風(fēng)向的吸力)。這些風(fēng)荷載隨著風(fēng)的速度、風(fēng)的方向、風(fēng)本身的結(jié)構(gòu)及作用的建筑物的體型、面積、高度、作用的位置和時(shí)間不停地變化，而建筑物在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)影響風(fēng)場(chǎng)的分布狀況，這種相互作用使風(fēng)荷載更加復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)對(duì)建筑物的作用有以下特點(diǎn)：(1)風(fēng)對(duì)建筑物的作用力包含靜力部分和動(dòng)力部分，且分布不均勻，隨作用的位置不同而變化；(2)風(fēng)對(duì)建筑物的作用與建筑物的幾何外形有直接關(guān)系，主要指建筑物的體型和截面的幾何外形；(3)風(fēng)對(duì)建筑物的作用受建筑物周圍的環(huán)境影響較大。周圍環(huán)境的不同會(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的分布影響很大；(4)與地震相比較，風(fēng)力作用持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)．有時(shí)甚至幾個(gè)小時(shí)，同時(shí)作用也頻繁。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其風(fēng)效應(yīng)包括：結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)靜力反應(yīng)、脈動(dòng)風(fēng)振反應(yīng)、旋渦干擾風(fēng)振反應(yīng)及結(jié)構(gòu)的自激振動(dòng)反應(yīng)。1.結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)靜力效應(yīng)：由于平均風(fēng)變化緩慢周期很大，可等效為靜態(tài)作用來(lái)處理，用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的方法分析，也就是在計(jì)算出風(fēng)荷載后來(lái)分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形等，必要時(shí)分析其穩(wěn)定性。2.結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)：是在平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)共同作用下產(chǎn)生的。它與結(jié)構(gòu)的基本自振周期有關(guān)，結(jié)構(gòu)越柔，基本周期越長(zhǎng)，順風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)就越大。3.結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)的風(fēng)振響應(yīng)：引起結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向強(qiáng)迫振動(dòng)的兩個(gè)主要原因是：尾部激勵(lì)(旋渦脫落)引起的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動(dòng)；橫風(fēng)向風(fēng)紊流(側(cè)向脈動(dòng)風(fēng))引起的結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)振動(dòng)。對(duì)于圓形截面柱體結(jié)構(gòu)，由于其響應(yīng)比跨臨界共振響應(yīng)小得多。通常忽略不計(jì)。對(duì)于非圓形截面的建筑物，特別是窄、高、柔的高層建筑，橫風(fēng)向旋渦隨機(jī)脫落干擾響應(yīng)可能超過(guò)順風(fēng)向響應(yīng)，因此必須引起重視。4.對(duì)于圓柱體細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，風(fēng)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)很小，通常忽略不計(jì)。但對(duì)于片狀結(jié)構(gòu)，矩形高層結(jié)構(gòu)，其風(fēng)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)相當(dāng)大。引起這種響應(yīng)的原因有：a.結(jié)構(gòu)橫截面質(zhì)心與剛心不重合，因而會(huì)引起結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向、橫風(fēng)向與扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的耦聯(lián)，這時(shí)順風(fēng)向與橫風(fēng)向動(dòng)力風(fēng)荷載都能引起結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)。b．結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與空氣動(dòng)力中心不重合，這時(shí)順風(fēng)向與橫風(fēng)向動(dòng)力風(fēng)荷載都能對(duì)截面質(zhì)心產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)。c．風(fēng)紊流引起的脈動(dòng)風(fēng)壓在結(jié)構(gòu)周邊的不均勻分布形成隨機(jī)脈動(dòng)扭轉(zhuǎn)。d．旋渦的隨機(jī)發(fā)放使結(jié)構(gòu)背面和側(cè)面的風(fēng)壓不對(duì)稱干擾而引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)。5.動(dòng)力風(fēng)荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)又反作用于風(fēng)，從而使結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力隨著結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度的改變而改變，這種與結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的動(dòng)力風(fēng)荷載引起的振動(dòng)被稱為自激振動(dòng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下其自激振動(dòng)與結(jié)構(gòu)的阻尼力之和可能為負(fù)值，從而使結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振幅越來(lái)越大，直至使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。這種破壞現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力失穩(wěn)?？諝鈩?dòng)力失穩(wěn)主要有兩種：由彎曲或扭轉(zhuǎn)單獨(dú)為主產(chǎn)生的失穩(wěn)稱為馳振；彎扭耦合產(chǎn)生的失穩(wěn)稱為顫振。四、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)1.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，也就是說(shuō)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在風(fēng)荷載和其他荷載的共同作用下內(nèi)力必須滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，確保建筑物住風(fēng)力作用下不會(huì)產(chǎn)生倒塌，開(kāi)裂和殘余變形等破壞現(xiàn)象，以保證結(jié)構(gòu)的安全。2.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足剛度設(shè)計(jì)要求，也就足說(shuō)要使結(jié)構(gòu)的位移或者相對(duì)位移滿足有關(guān)的規(guī)范要求，以防止建筑物在風(fēng)力的作用下引起隔墻開(kāi)裂、建筑裝飾和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件因位移過(guò)火而損壞。3.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足舒適度設(shè)計(jì)要求，以防止居住者在風(fēng)力作用F引起的擺動(dòng)造成的不舒適。影響人體感覺(jué)不舒適的主要因素有振動(dòng)頻率、振動(dòng)加速度和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。一般采用限制結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度的方法來(lái)滿足舒適度的設(shè)計(jì)要求。4.為防止風(fēng)力對(duì)外墻、玻璃、女兒墻及其他裝飾構(gòu)件的局部損壞，也必須對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。5.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足疲勞破壞設(shè)計(jì)要求。風(fēng)振引起高層建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞破壞是高周期疲勞累積損傷的結(jié)果。五、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化1.基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，抗風(fēng)結(jié)構(gòu)需要建立在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，一方面要采用級(jí)配比較高的砂石，保證回填材料的密實(shí)程度，防止水平作用力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾覆性的威脅，另一方面是在基礎(chǔ)持力層的底部設(shè)置抗拔錨桿，通過(guò)錨桿鉆孔、桿體制作安裝、注漿等，提高抗拔錨桿的應(yīng)用功能，使得地下室的基礎(chǔ)具有足夠的抗拔強(qiáng)度。2.耗能減振系統(tǒng)的設(shè)置，設(shè)計(jì)高層建筑非承重構(gòu)件的時(shí)候，利用耗能減振系統(tǒng)減少風(fēng)荷載對(duì)建筑物的作用，系統(tǒng)由耗能支撐、剪力墻、梁柱、樓板等構(gòu)成，減振系統(tǒng)的設(shè)置在結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還要采用粘彈性比較強(qiáng)的阻尼材料，提高其耗能減振的作用。3.水平力和風(fēng)荷載疊加問(wèn)題的解決思路，高層建筑面臨高風(fēng)壓的問(wèn)題，風(fēng)的荷載作用加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，如果超過(guò)其承受的范圍之外，將出現(xiàn)水平力和風(fēng)荷載的重疊，對(duì)建筑物產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)性破壞作用。因此高風(fēng)壓區(qū)域要進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，一方面要分析水平風(fēng)壓的作用力大小以及影響程度，另一方面控制影響建筑物水平壓力的土壓力，在此基礎(chǔ)上增大結(jié)構(gòu)的水平荷載內(nèi)力，并采用強(qiáng)度較高的鋼筋混凝土，以便控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼筋含量，減緩水平力風(fēng)荷載疊加帶來(lái)的負(fù)面影響。4.提高建筑物的承載力和剛度也是抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，根據(jù)風(fēng)荷載的多變性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為承載力和風(fēng)荷載務(wù)必經(jīng)過(guò)周密計(jì)算，并根據(jù)相關(guān)的規(guī)范設(shè)計(jì)要求，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高建筑物的抗風(fēng)能力。六、結(jié)語(yǔ)隨著高層建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載更加敏感，抗風(fēng)研究和設(shè)計(jì)已成為控制結(jié)構(gòu)安全性能和使用性能的關(guān)鍵因素。因此，建筑行業(yè)對(duì)于高層建筑的風(fēng)速和風(fēng)壓測(cè)試相當(dāng)?shù)闹匾?，通過(guò)對(duì)一些